分析过冷奥氏体等温转变过程及转变产物
共析钢TTT-CCT图分析
共析钢TTT-CCT图分析TTT曲线过冷奥⽒体等温转变曲线——TTT曲线(Time，Temperature，Transformation)过冷奥⽒体等温转变曲线可综合反映过冷奥⽒体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。
因其形状通常像英⽂字母“C”，故俗称其为C曲线，亦称为TTT图。
C曲线中转变开始线与纵轴的距离为孕育期，标志着不同过冷度下过冷奥⽒体的稳定性，其中以550℃左右共析钢的孕育期最短，过冷奥⽒体稳定性最低，称为C曲线的“⿐尖”。
图中最上⾯⼀条⽔平虚线表⽰钢的临界点A1(723℃)，即奥⽒体与珠光体的平衡温度。
图中下⽅的⼀条⽔平线Ms(230℃)为马⽒转变开始温度，Ms以下还有⼀条⽔平线Mf(-50℃)为马⽒体转变终了温度。
A1与Ms线之间有两条C曲线，左侧⼀条为过冷奥⽒体转变开始线，右侧⼀条为过冷奥⽒体转变终了线。
A1线以上是奥⽒体稳定区。
Ms线⾄Mf线之间的区域为马⽒体转变区，过冷奥⽒体冷却⾄Ms线以下将发⽣马⽒体转变。
过冷奥⽒体转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥⽒体转变区，在该区域过冷奥⽒体向珠光体或贝⽒体转变。
在转变终了线右侧的区域为过冷奥⽒体转变产物区。
A1线以下，Ms线以上以及纵坐标与过冷奥⽒体转变开始线之间的区域为过冷奥⽒体区，过冷奥⽒体在该区域内不发⽣转变，处于亚稳定状态。
在A1温度以下某⼀确定温度，过冷奥⽒体转变开始线与纵坐标之间的⽔平距离为过冷奥⽒体在该温度下的孕育期，孕育期的长短表⽰过冷奥⽒体稳定性的⾼低。
在A1以下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥⽒体转变速度增⼤，在550℃左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快。
此后，随等温温度下降，孕育期⼜不断增加，转变速度减慢。
过冷奥⽒体转变终了线与纵坐标之间的⽔平距离则表⽰在不同温度下转变完成所需要的总时间。
转变所需的总时间随等温温度的变化规律也和孕育期的变化规律相似。
第六章第三节钢在冷却时的转变_工程材料
§6-3 钢在冷却时的转变一、过冷奥氏体等温冷却转变曲线1、过冷奥氏体等温冷却转变曲线建立以共析钢为例：取尺寸相同的T8钢试样，A化后，迅速冷却到A1以下不同温度保温，进行等温转变，测出转变的开始点与转变结束点。
将开始点与结束点分别连接起来，就得到奥氏体等温转变曲线。
该曲线称为TTT图（Time Temperature TransformationDiagram）或C曲线。
2、孕育期：转变开始线与纵坐标轴之间的距离。
孕育期越短，过冷奥氏体越不稳定，转变越快。
孕育期最短处称为鼻温3、影响C曲线的因素A的成分越均匀，晶粒越粗，其稳定性越高，C曲线右移；A含碳量越高，稳定性越高，C曲线右移，共析钢C曲线最靠右；合金元素，除Co外所有合金元素均使C曲线右移，并使C曲线改变形状。
二、共析钢过冷奥氏体的转变产物及性能、珠光体型转变（P）转变温度：A1～鼻温（550℃）之间（高温转变）转变规律：是通过碳、铁的扩散完成转变。
铁原子重新排列由fcc bcc,碳从铁中扩散出，形成转变产物：珠光体型组织铁素体和渗碳体的机械混合物产物形态：渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小。
珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T)珠光体3800×索氏体8000×屈氏体8000×2、贝氏体型转变（B）转变温度：鼻温（550℃）～Ms之间（中温转变）转变规律：半扩散型转变，铁原子不扩散，只能做微小的位置调整，由fcc→bcc。
碳原子有一定扩散能力，部分碳原子从铁中扩散出来，形成碳化物。
转变产物：贝氏体型组织，渗碳体分布在过饱和的铁素体基体上的两相混合物。
上贝氏体（B上）：550℃～350℃之间形成形态：呈羽毛状, 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。
光学显微照片1300×电子显微照片5000×上贝氏体性能：铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。
7过冷奥氏体等温转变过程及转变产物汇总
薛小怀 副教授
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板条马氏体（左）和针状马氏体（右）
薛小怀 副教授
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马氏体的形态主要取决于奥氏体的碳含量， 当碳小于0.2％时，组织中几乎完全是板条状马 氏体，当碳大于1.0％时，则几乎全部是针状马 氏体，碳含量介于0.2~1.0％之间时，为板条状和 针状马氏体的混合组织。
薛小怀 副教授
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（3）马氏体的力学性能特点 高硬度是马氏体性能的主要特点，其强化机
（1）马氏体晶体结构特点 转变在低温下进行的，铁、碳原子均不能扩散，
转变时只发生-晶格改组，而无成分的变化，即固溶 在奥氏体中的碳，全部保留在晶格中，使-Fe超过 其平衡含碳量。因此，马氏体是碳在-Fe中的过饱和 固溶体，用符号“M”表示。
薛小怀 副教授
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（2）马氏体组织形态特点（板条和针状） 板条马氏体的立体形态呈细长的扁棒状，显
薛小怀 副教授
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当温度较高(550~350C)时，条状或片状铁 素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行 生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原 子向条间的奥氏体中富集，当碳浓度足够高时， 便在铁素体条间断续地析出渗碳体短棒，奥氏 体消失，形成典型的羽毛状上贝氏体。
薛小怀 副教授
7
上贝氏体形成过程
薛小怀 副教授
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马氏体的塑性和韧性主要取决于其内部亚 结构的形式和碳的过饱和度。高碳马氏体的碳 过饱和度大，晶格畸变严重，晶内存在大量孪 晶，且形成时相互接触撞击而易于产生显微裂 纹等原因，硬度虽高，但脆性大、塑性、韧性 均差。
薛小怀 副教授
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低碳板条马氏体的亚结构是高密度位错，碳 的质量分数低，形成温度较高，会产生“自回火” 现象，碳化物析出弥散均匀，因此在具有高强度 的同时还具有良好的塑性和韧性。
过冷奥氏体转变总结
热处理过程：加热、保温、冷却 冷却方式有二种：连续冷却方式
等温冷却方式
dT/dτ→∞时是平衡条件，否则就是非平衡条件。 过冷奥氏体在非平衡条件下冷却，可有三种形式。其中：(a) dT/dτ= 0，为等温冷却；
(b) dT/dτ= C，为连续冷却； (c) dT/dτ= f(τ)，为实际冷却。
过冷奥氏体： 过冷奥氏体转变动力学图：体等温转变和连续转变动力学图： 过冷奥氏体主要转变类型：P型转变、M型转变、B型转变
（1）高温时，过冷度小，驱动力△Gv小，扩散系数D大， 原子扩散能力大，以驱动力△Gv影响为主。
（2）低温时，过冷度大，驱动力△Gv大，扩散系数D小， 原子扩散能力小，以扩散系数D影响为主。
上述两个因素综合作用的结果，在550℃是驱动力和原子 的扩散的作用都充分发挥，使孕育期最短，使TTT图呈“C” 字形。
(b) 表示转变终了线出现的二个鼻子；
(c) 表示转变终了线分开，珠光体转变的鼻尖离 纵轴远；
(d) 表示形成了二组独立的C曲线。
综上所述，C曲图为珠光体等温转变、马氏体 连续转变、贝氏体等温转变的综合。需指出的是 珠光体转变和贝氏体转变可能重叠得到珠光体加 贝氏体混合组织。贝氏体转变与M转变也会叠。
当奥氏体化温度下降，保温时间缩短, 奥氏体成 分不均匀，晶粒减小，晶界面积增加，珠光体形核 位置增加，形核率增加，C曲线左移。
上述二种影响，当珠光体转变是在高温时更为剧 烈。
（2）对马氏体转变
加热温度和保温时间的影响是两方面的。① 提高奥氏体化加热温度和保温时间，奥氏体晶 粒长大，缺陷减少及奥氏体均匀化。马氏体形 成的阻力减小，Ms升高。②提高奥氏体化加热 温度和保温时间，有利于碳和合金元素溶入奥 氏体中。Ms下降。若排除化学成分的影响，提 高奥氏体化加热温度和保温时间，使MS升高。 （3）对贝氏体转变
具有共析成分的过冷奥氏体(碳钢),冷却到珠光体转变温度区间等温,说 明其转变机制
具有共析成分的过冷奥氏体(碳钢),冷却到珠光体转变温度区间等温,说明其转变机制过冷奥氏体，也称超冷奥氏体，在冷却过程中没有形成其相变组织，一般分为两类：一类是过淬透镜体，另一类是过共析成分。
其中，本文着重讨论的是具有共析成分的过冷奥氏体(碳钢)，并阐述其冷却到珠光体转变温度区间等温的转变机制。
碳钢是指碳含量在0.008%~2.11%之间的钢铁，其中碳元素对于钢铁的性能有着重要的影响。
在处理过程中，钢材会出现一系列组织结构的转变，常见的有铁素体、珠光体和贝氏体。
而碳钢的珠光体转变温度一般在723℃左右，在这个温度区间，过冷奥氏体的结构也会发生变化。
具有共析成分的碳钢在冷却过程中，无论是快速冷却还是缓慢冷却，在一定温度范围内都会发生共析反应。
共析反应是指在相图中，两种或更多组分共同形成一种或多种相的反应。
对于具有共析成分的过冷奥氏体(碳钢)，在冷却过程中，当温度下降到共析温度时，其中的一部分组分会分离出来，形成另一种组织结构。
在过冷奥氏体转变过程中，碳钢中的共析组织是关键因素之一。
碳钢中的共析成分是铁-碳共析图中的渗碳体，当温度下降到共析温度时，其中的渗碳体被分离出来，产生了新的组织结构，并改变了材料的性能。
由于渗碳体的形态、类型和分布直接影响着钢铁的力学性能，因此，对其转变机制的研究具有重要意义。
研究表明，在碳钢中，珠光体与共析成分的分离过程是相互作用的。
当温度下降到珠光体转变温度区间时，珠光体晶粒表面的共析组织先开始分离，而在晶粒内部分离则相对较慢。
因此，晶粒表面的分离是整个过程中的瓶颈，影响着组织结构的形成和分布。
总体来看，共析成分对于碳钢中过冷奥氏体的转变起着关键作用，其分离和重新排列可以改变材料的微观组织结构和力学性能。
在碳钢的珠光体转变温度区间等温过程中，渗碳体的分离是一个不可忽略的因素，对于珠光体的形成和分布有着重要的影响。
对于碳钢材料的性能和应用，需要进一步深入研究其转变机制，以便更好地利用其特点，提高其应用价值。
奥氏体等温转变
珠光体转变过程 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首
先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥 氏体的含碳 量下降，促 进了铁素体 形核，两者 相间形核并 长大，形成一个珠光体团。
珠光体转变是扩散型转变。
珠光体转变
珠光体转变
随着过冷度的不同，片层间距和厚薄也不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.
➢ 过冷奥氏体的中温（贝 氏体）转变
过冷奥氏体在550℃230℃ (Ms)间将转变为 贝氏体类型组织，贝氏 体用符号B表示。 根据其组织形态不同， 贝氏体又分为上贝氏体 (B上)和下贝氏体(B下).
上贝氏体 下贝氏体
贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形
核和长大的过程。
发生贝氏体转变时, 首先在奥氏体中的 贫碳区形成铁素体 晶核，其含碳量介 于奥氏体与平衡铁 素体之间，为过饱 和铁素体。
下贝氏体： 形成温度为350℃-Ms。 在光镜下呈竹叶状。
光镜下
电镜下
在电镜下为细片状碳 化物分布于铁素体针 内，并与铁素体针长 轴方向呈55-60º角。
上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较
好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的 强化组织之一。
当转变温度较高（550-350℃) 时，条片状铁素体从 奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变 宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条 间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上 。
上贝氏体转变过程
上贝氏体:
在光镜下呈羽毛 状.
在电镜下为不连
续棒状的渗碳体 光镜下 分布于自奥氏体
⑶ 托氏体 形成温度为600-550℃，片层极薄(<0.2μm)，电镜
下可辨，用符号T 表示。
过冷奥氏体转变
T
500
A→P
A1 HRC 15 P B 40 45 55 Mf >60 103 104 105
——过冷奥氏体 转变产物： P：珠光体 B：贝氏体 M：马氏体
鼻点
200
τ孕
Ms A→M
1
A→B
M+AR 10 102
τ
① 不同温度下转变产物不同；
高温转变产物(A1~550℃)
高温
珠光体( P) — 扩散型
中温转变产物(550℃~MS)
中温
贝氏体( B) — 半扩散型
低温
低温转变产物(MS~Mf)：
Mf
马氏体( M) — 非扩散型
共析碳钢 C 曲线
② 存在孕育期 ——过冷奥氏体等温分解所需的准备时间 ——代表 A过冷稳定性。
③ 存在鼻点：
——孕育期最短， A过冷最不稳定； ④ T转↓，产物硬度↑。 ⑤ 马氏体是过冷奥氏体连续冷却中的一种转变 组织，非等温转变产物。将其画入，使过冷 奥氏体等温转变曲线更完备、实用
Z (T )函数由C曲线转变开始线决定。
连续冷却转变时：
每一个极小的时间段 i 都对应一个相应的 温度 Ti ，同时在 C曲线上也对应一定的孕育期 Zi ，在任一温度Ti下，孕育期消耗量 IP i 从 A1冷至Tn时的IP为:
n 1 2 IP Z1 Z2 Zn i i 1 Z i
4 CCT 与 TTT 的应用：
（1）从CCT 曲线可获钢的真实临界淬火速度VC及 VC′，为热处理（淬火、退火等）提供依据； （2）从TTT 曲线可获知等温处理的有关数据； （3）利用TTT 曲线近似代替 CCT 曲线。如确定转变 产物、τ始及τ终、VC等。 **连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相 切的VC的1/1.5倍，故可用等温冷却C曲线中VC估算.
过冷奥氏体等温转变过程及产物-贝氏体转变
第三章钢的热处理
第2节奥氏体转变图
第3讲过冷奥氏体等温转变过程及产物
贝氏体转变
560～230℃
贝氏体型转变B
上贝氏体下贝氏体
共析钢的奥氏体等温转变图
贝氏体定义: 钢中的贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产物，它以贝氏体铁素体(bainitic ferrite, BF) 为基体，同时存在碳化物相的组织
贝氏体=贝氏体铁素体+碳化物
贝氏体铁素体：含碳量过饱和的铁素体
碳化物：包括θ-渗碳体或ε-碳化物
过冷奥氏体不同等温转变温度下, 贝氏体的形态不同
560 ~350 ℃形成
上贝氏体B上
350℃ ~Ms(230 ℃)形成
下贝氏体B下
上贝氏体560 ~350 ℃形成
组织特征：B上呈羽毛状
上贝氏体形成示意图
贝氏体组织的形成
形核+ 核长大
在奥氏体
晶界形成在平行的铁素体片层之间析出渗碳体
新相铁素体
上贝氏体的性能
硬度高：40~45HRC
塑、韧性差：铁素体片粗且平行分布，同时晶间有脆性的渗碳体
(a)光学显微镜照片
下贝氏体组织呈针叶状
下贝氏体的显微组织
Fe 3C 白色弥散分布于铁素体晶内
(b)扫描电子显微镜照片
组织特征：B 下呈针叶状
微观结构：由针叶状过饱和F 和弥散分布在其中的极细小的渗碳体
组成下贝氏体形成示意图
下贝氏体在350℃~Ms(230℃)阶段形成
第三章钢的热处理
性能：
硬度高~50HRC，强度高，耐磨性
好，塑性、韧性高
具有良好的综合力学性能
生产中“等温淬火”的目的就是为
了得到B下组织。
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错、孪晶等)和组织细化； （c）过饱和碳以弥散碳化物析出强化。
薛小怀 副教授
马氏体的硬度主要受 碳含量的影响。随碳含量 增加，马氏体的硬度随之 增高。当碳的质量分数超 过0.6％以后，硬度的增 加趋于平缓。合金元素对 马氏体的硬度影响不大。
薛小怀 副教授
（2）珠光体组织形态与性能
根据珠光体型组织片层间距大小分为珠光体、 索氏体和托氏体，皆为F和Fe3C片层相间的机械 混合物，无本质区别，只是片层厚度不同而已。 转变温度越低，珠光体型组织的片层越薄，相界 面越多，强度和硬度越高，塑性及韧性也略有改 善。
薛小怀 副教授
贝氏体转变
（1）贝氏体的转变过程 贝氏体是过冷奥氏体在C曲线“鼻尖”(约 550C)至M S之间温度范围的等温转变产物，通 常用符号B表示。过冷奥氏体在这一温度区间转 变时，由于过冷度较大。原子扩散能力下降，这 时铁原子已不能扩散，碳原子的扩散也不充分， 因此，贝氏体转变是半扩散型相变。
薛小怀 副教授
温度降低(350C~MS)时，碳原子扩散能力更低， 铁素体在奥氏体的晶界或晶内某些晶面上长成针状， 碳原子在铁素体内一定的晶面上以断续碳化物小片 的形式析出，从而形成了下贝体。
薛小怀 副教授
下贝氏体形成过程
薛小怀 副教授
（2）贝氏体的组织形态及性能 上贝氏体中短杆状的渗碳体分布于自奥氏体
薛小怀 副教授
马氏体的塑性和韧性主要取决于其内部亚 结构的形式和碳的过饱和度。高碳马氏体的碳 过饱和度大，晶格畸变严重，晶内存在大量孪 晶，且形成时相互接触撞击而易于产生显微裂 纹等原因，硬度虽高，但脆性大、塑性、韧性 均差。
薛小怀 副教授
低碳板条马氏体的亚结构是高密度位错，碳 的质量分数低，形成温度较高，会产生“自回火” 现象，碳化物析出弥散均匀，因此在具有高强度 的同时还具有良好的塑性和韧性。
薛小怀 副教授
（4）马氏体的转变特点 （a）无扩散性：马氏体转变的过冷度极大。 转变温度低、铁、碳原子的扩散都极其困难。因 此是非扩散型相变，转变过程中没有成分变化， 马氏体的碳含量与母相奥氏体的含碳量相同。
薛小怀 副教授பைடு நூலகம்
（b）变温形成：马氏体转变有其开始转变温度 (MS点)和转变终了温度(MF点)。当过冷奥氏体冷 到MS点，即发生马氏体转变。转变量随温度的下 降而不断增加，一旦冷却中断，转变便很快停止。 随后继续冷却，马氏体可继续形成。
薛小怀 副教授
当温度较高(550~350C)时，条状或片状铁 素体从奥氏体晶界开始向晶内以同样方向平行 生长。随着铁素体的伸长和变宽，其中的碳原 子向条间的奥氏体中富集，当碳浓度足够高时， 便在铁素体条间断续地析出渗碳体短棒，奥氏 体消失，形成典型的羽毛状上贝氏体。
薛小怀 副教授
上贝氏体形成过程
晶界向晶内生长的铁素体条间，在光镜下呈羽 毛状。下贝氏体氏体中碳化物以小片状分布于 铁素体针内。在光学显微镜下．下贝氏体呈黑 针状。
薛小怀 副教授
上贝氏体（左）和下贝氏体（右）
薛小怀 副教授
上贝氏体和下贝氏体组织性能比较
薛小怀 副教授
马氏体转变
当奥氏体快速冷却到MS点以下时（共析钢 230 C），将发生马氏体转变。
薛小怀 副教授
（c）高速长大：马氏体转变没有孕育期，形成 速度极快。瞬间形核，瞬间长大。马氏体转变量 的增加，不是靠原马氏体片的继续长大，而是靠 马氏体片的不断形成。
薛小怀 副教授
（d）马氏体转变的不完全性：一般来说，奥氏 体向马氏体的转变是不完全的，即使冷却到MF点， 也不可能获得100％的马氏体，总有部份奥氏体未 能转变而残留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏 体，用符号“A`”表示。
薛小怀 副教授
板条马氏体（左）和针状马氏体（右）
薛小怀 副教授
马氏体的形态主要取决于奥氏体的碳含量， 当碳小于0.2％时，组织中几乎完全是板条状马氏 体，当碳大于1.0％时，则几乎全部是针状马氏体， 碳含量介于0.2~1.0％之间时，为板条状和针状马 氏体的混合组织。
薛小怀 副教授
（3）马氏体的力学性能特点 高硬度是马氏体性能的主要特点，其强化机
薛小怀 副教授
A转变为P的过程也是形核和长大的过程。当A过冷到 A1以下时，首先在A晶界处形成Fe3C晶核。通过扩散， Fe3C依靠其周围的A不断供应碳原子而长大，因而引起 Fe3C周围的A含碳量不断降低，从而为F形核创造了条件， 使这部份A转变为F。由于F的溶碳能力低(0.022％)，长 大时必然要向侧面的A中排挤出多余的碳，使相邻的A碳 含量增高，这又为产生新的Fe3C创造了条件。如此交替进 行下去．A就转变成F和Fe3C片层相问的P组织。
（1）马氏体晶体结构特点 转变在低温下进行的，铁、碳原子均不能扩散，
转变时只发生-晶格改组，而无成分的变化，即固溶 在奥氏体中的碳，全部保留在晶格中，使-Fe超过 其平衡含碳量。因此，马氏体是碳在-Fe中的过饱和 固溶体，用符号“M”表示。
薛小怀 副教授
（2）马氏体组织形态特点（板条和针状） 板条马氏体的立体形态呈细长的扁棒状，显
工程材料与焊接基础
第七讲
过冷奥氏体等温转变过程及转变产物
过冷奥氏体等温转变过程及转变产物
随过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种 基本类型的转变，即珠光体转变、贝氏体转 变和马氏体转变。以共析钢为例进行说明。
薛小怀 副教授
珠光体转变
（1）珠光体转变过程 过冷奥氏体在A1~“鼻尖”（约
550C）温度范围内等温将转变 为珠光体组织。因转变温度较高、 铁、碳原子的扩散都能够比较充 分地进行，使奥氏体能分解为成 分、结构都与之相差很大的渗碳 体和铁素体。可见奥氏体向珠光 体的转变属于扩散型相变。
微组织表现为一束束的细条状组织，每束内的条 与条之间尺寸大致相同并平行排列，一个奥氏体 晶粒内可以形成几个取向不同的马氏体束。马氏 体板条的亚结构主要是高密度的位错，因而又称 位错马氏体。
薛小怀 副教授
针状马氏体的立体形态呈双凸透镜的片状， 在光学显微镜下呈针状形态。在透射电子显微 镜下观察表明，其亚结构主要是孪晶，故又称 孪晶马氏体。